鴨綠江云峰水電站安全防護及潰壩風險評估

唐雪峰,國 林，張 衛(wèi)，晏福興，魏海峰，于 雷

(1.中國地質調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國地質大學(武漢)教育部長江三峽庫區(qū)地質災害研究中心，湖北 武漢 430074)

云峰水電站是20世紀60年代在鴨綠江上修建的一座大型水電工程，位于吉林省集安市青石鎮(zhèn)，電站以發(fā)電為主，肩負著防洪、發(fā)電、灌溉等多重任務，是重點的能源和水工建筑。云峰水電站作為中、朝邊境極為重要的水利、電力設施，壩體為中、朝兩國共有共建，壩體兩側執(zhí)行的建筑標準有所不同，一旦潰壩，蓄水將傾瀉而下，可淹沒下游大部分地區(qū)，對人民生命和財產(chǎn)安全構成極大的威脅，同時可形成水障，改變局部地形形態(tài)，對物資運輸產(chǎn)生一定的影響。因此，需要將云峰水電站作為重點安全防護對象進行保護，同時有必要對云峰水電站潰壩風險進行評估，并提出合理的安全防護建議，以確保云峰水電站的運行安全。

1 云峰水電站概況

1.1 水電站工程概況

云峰水電站位于鴨綠江中游集安市青石村，是具有不完全多年調(diào)節(jié)水水庫的引水式電站，是水力發(fā)電公司在鴨綠江上修建的4個梯級電站(云峰、渭原、水豐、太平灣)中的第一級，由中國運行管理。該水電站廠區(qū)、壩區(qū)為一長14 km深切峽谷的河曲，大壩建在峽谷出口處，廠、壩之間地塊寬不足1 km，落差達14 m；壩址為不對稱V形河谷，右岸(中國一側)山勢陡峭，左岸為低山。云峰水庫流域面積為34 360 km,水庫集水面積為17 211 km，多年平均流量為278 m/s，年徑流量為87.6億m，正常高水位為325 m，水庫以發(fā)電為主，兼有筏運、防洪、養(yǎng)魚、航運和灌溉等作用。云峰水電站裝機容量為400 MW，保證出力為147.5 MW，年平均發(fā)電量為13.5億kW·h，輸電線路將電能送往遼寧、吉林和朝鮮等地。

1.2 水電站結構和已采取的安全防護措施

云峰水電站由混凝土寬縫重力壩、引水隧洞和發(fā)電廠房等組成(見圖1)，主要建筑物有攔河壩、引水道、調(diào)壓井、壓力水道、發(fā)電廠房、開關站等，其中發(fā)電廠房為地面式廠房，尺寸為139.6 m×23.2 m×19.0 m。云峰大壩全長828 m，壩頂長847 m，堤壩等級為1級，最大壩高為113.8 m，上、下游壩坡分別為1∶0.2和1∶0.3，其中溢流壩段長315 m，設有7.5 m×11.0 m溢流孔21個、4.25 m×4.25 m底孔4個，每個溢流孔泄洪量可達900 m/s。云峰大壩按千年一遇洪水設計，萬年一遇洪水校核，最大下泄流量為24 740 m/s。云峰水電站發(fā)電廠房在河曲下段右岸，兩條引水隧洞進口位于壩前右岸，洞長分別為775 m和759 m，洞徑為8.6 m，末端均設有差動式調(diào)壓井，各以兩條內(nèi)徑為5.3 m的壓力鋼管引入廠房發(fā)電。該發(fā)電廠房內(nèi)裝有單機容量為10萬kW的混流式水輪發(fā)電機組4臺，設計水頭為89 m，其中兩臺周波為50 Hz，另兩臺周波為60 Hz，以適應電力系統(tǒng)的需求。云峰水電站總裝機容量為400 MW，單機容量為100 MW,l號、3號機周波為50 Hz,向我國供電。

圖1 云峰水電站結構和安全防護地質條件圖

通過對云峰水電站的結構分析可知，云峰大壩構筑于地表，規(guī)模大，大壩之上云峰水庫庫容量巨大，一旦遭到破壞，將對下游產(chǎn)生巨大的洪水沖擊；發(fā)電廠房是變電所、變壓器、輸電線路集中分布的區(qū)域，極易遭受洪水沖擊導致輸電系統(tǒng)癱瘓，因此云峰大壩和發(fā)電廠房需要重點加以安全防護。目前云峰水電站發(fā)電廠房西側和云峰大壩東側已設有安全防護措施，但對物資運輸?shù)墓芸乇∪酰煽紤]利用有利地形地勢和地質條件修建構筑物來進行安全防護。

2 云峰水電站安全防護地質環(huán)境背景信息分析

水電站周邊巖體屬性特征決定了安全防護設施構筑的適宜性、抗損壞能力和構筑方式等，而土體屬性特征對物資運輸路線的通行條件有重要的影響，故水電站的安全防護性能與地質環(huán)境背景具有密切的關系。云峰水庫及其支流的底質和岸質特征限制了水電站周邊水體的運輸性能，對于物資運輸?shù)墓芾砭哂兄匾饬x。

2.1 云峰水電站周邊巖體特征

云峰水電站周邊巖體主要為花崗巖、安山巖和流紋質火山碎屑巖，見表1。其中,花崗巖多為微風化，上覆土厚度普遍<1 m，屬于較完整的堅硬巖-較硬巖類，巖體質量等級為Ⅲ級(見圖1)，抗損壞性中等；安山巖多為微風化，上覆土厚度普遍<1 m，屬于較完整-較破碎的堅硬巖-較硬巖類，巖體質量等級為Ⅲ級，少數(shù)為Ⅱ、Ⅳ級，抗損壞性中等；流紋質火山碎屑巖為中等風化-微風化，巖體較破碎，為較硬巖類，巖體質量等級以Ⅲ、Ⅳ級為主，抗損壞性以中等為主。綜上可見，云峰水電站周邊巖體抗損壞性以中等為主，上覆土厚度較薄，而上覆土層厚度較薄及巖體風化損壞較嚴重的區(qū)域安全性較低，容易受到洪水沖擊的破壞，影響水電站的正常運行，因此建議在水電站附近的制高點和山脊構筑安全防護設施。

表1 云峰水電站周邊巖體結構類型和基本質量等級一覽表

2.2 云峰水電站周邊水體特征

云峰水電站建于鴨綠江上，江水從北側山體內(nèi)導流涵洞導出，因江深較淺(10～50 cm)，河寬較窄(0～50 m)、部分地段斷流，底質以卵石為主(見圖1)，應在鴨綠江沿岸安排安全防護人員，加強對運輸通道的安全防護。

云峰大壩北側為云峰水庫庫區(qū)，寬為700～970 m，最大水深介于47.8～86.8 m之間，江寬且水深，小型船舶可通航至大壩處。每年1月中旬至4月上旬為云峰水庫封凍期，平均冰厚約0.8 m，冰面物資運輸通道暢通。建議在水電站附近的制高點和山脊構筑安全防護設施，以保證大壩的安全。

云峰水庫沿岸山體高陡，河岸坡度較大，不利于物資的運輸，但在我國河岸一側有石湖河、秋皮河匯入庫區(qū)，由于水庫蓄水的影響，導致兩條河流的下游及河口段水位上升，水面變寬，部分河岸成為坡度為10°～20°的河漫灘，底質以卵石為主，提高了河流物資運輸通道的暢通性。其中，秋皮河河口水面寬約410 m，流速為0.2 m/s，自河口至秋皮河150 m處兩側河岸平坦，物資運輸通道暢通性好；石湖河河口水面寬約440 m，流速為0.13 m/s，自河口至石湖河2.5 km處河面較開闊，其中老營場處兩側河岸平坦，易于運輸物資。建議在兩條河流的河口處構筑安全防護設施，加強對河岸的安全防護。

3 云峰水電站潰壩風險評估

云峰水庫庫區(qū)面積為102.5 km，最大庫容為45.8億m，是中朝邊境地區(qū)最大的水庫。云峰水庫是集安地區(qū)重要的水體資源和天然屏障，但也存在重大的安全隱患。云峰大壩受到洪水沖擊會導致潰壩，巨大的水量會對下游產(chǎn)生破壞，因此急需對云峰水庫潰壩情況下的淹沒范圍進行計算與評估。

3.1 潰壩處最大流量和流量過程計算

水庫的潰決形式從時間上分為瞬時潰和逐漸潰。對潰壩的風險研究需預測其最不利的后果，以便采取最有效的措施，所以在水電站潰壩淹沒范圍計算時選擇瞬時潰壩的情況，并選取水庫最大庫容和最高水位。云峰水庫基礎水文參數(shù)，見表2。

表2 云峰水庫基礎水文參數(shù)表

潰壩處最大流量可采用矩形河谷自由出流(下游水深較淺)理論的瞬時全潰公式進行計算，其計算公式為：

式中：

Q

為壩址處峰值流量(m/s)；

B

為壩體寬度(m)；

g

為重力加速度(m/s)；

H

為潰壩高度(m)。

潰壩流量過程可采用概化典型流量過程線法進行計算，其計算公式如下:

(0≤

t/T

≤0.3)

式中:

Q

為壩址處峰值流量(m/s)；

Q

為

t

時刻壩址處流量(m/s)；

T

為潰壩出流總時間(s)；

W

為水庫庫容(m)。

通過計算，得到云峰水庫不同潰壩高度對應的出流庫容、峰值流量和出流總時間，見表4。

表4 云峰水庫不同潰壩高度對應的出流庫容、峰值流量和出流總時間

3.2 潰壩洪水向下游的演進過程計算

本次潰壩洪水向下游的演進過程采用Mike11模型進行模擬計算。MIKE11模型的原理是采用 Abbott 六點隱式格式求解一維河流非恒定流計算方程——圣維南方程組。目前MIKE模型在我國較多地應用于水質變化模擬、水環(huán)境預警，其中MIKEFLOOD是一個耦合的水力模型，能夠完整地模擬一維地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)水流過程和二維地表漫流過程。

3.2.1 基本要素與假設條件

Mike11模型基于以下3個要素進行模擬：反映有關物理定律的微分方程組；對微分方程組進行線性化的有限差分格式；求解線性方程組的算法。同時，并基于以下幾個假定：流體的不可壓縮、均質流體；一維流態(tài)；坡降小、縱向橫斷面變化幅度小、符合靜水壓力等。

3.2.2 圣維南方程組

圣維南方程組是反映有關物理定律的微分方程，包括連續(xù)方程(質量守恒定律)和動量方程(牛頓第二定律)，即：

式中：

Q

為流量(m/s)；

q

為側向入流(m/s)；

A

為過水面積(m)；

h

為水位(m)；

R

為水力半徑(m)；

C

為謝才系數(shù)；∝為動量修正系數(shù);

g

為重力加速度(m/s)。

3.2.3 河流模型的概化

河流模型的概化主要包括河流斷面的處理、支流的流入處理、初始條件的設定、糙率的選定等。由于水文資料相對匱乏，而且鴨綠江的支流流量相對潰壩流量而言很小，故本次模擬中忽略支流的影響，只考慮鴨綠江干流；考慮到空間步長及模型的穩(wěn)定性，每隔2 000 m輸入一個斷面，斷面的河道部分設定為V形河谷，超過河面部分按等高線投影描繪；初始條件設為水深3.5 m、流量1 040 m/s；糙率設為0.045。

3.2.4 潰壩洪水向下游的演進過程模擬計算結果

云峰水庫在特殊情況下遭受損壞時，可能會產(chǎn)生不同潰口深度的潰壩，本次在假設潰口深度分別為5 m、10 m、15 m、20 m、50 m的潰壩情況下，模擬不同潰壩程度對下游地區(qū)的影響，并計算不同潰口深度時各斷面洪峰對應的水深和到達時間，從而換算出不同潰口的淹沒范圍，其模擬計算結果見表5。

表5 云峰水庫不同潰壩深度時各斷面洪峰對應的水深和到達時間

3.3 云峰水庫潰壩淹沒范圍計算

從云峰水庫不同區(qū)域斷面的不同潰口深度對應的峰值水深，可在地形線上繪制出云峰水庫對應的潰壩淹沒范圍，見圖2。

圖2 云峰水庫潰壩淹沒范圍圖

測區(qū)鴨綠江兩側地形整體較陡，僅少量沿江區(qū)域地勢低洼且地形平緩，為村鎮(zhèn)聚集區(qū)。通過計算可知，潰口深度僅達到5 m時，洪水就會將沿江居民聚集區(qū)沖毀(見表6)，但由于兩側地形高陡，50 m潰壩洪水都無法越過兩岸地形高點。

表6 云峰水庫不同潰口深度對應的峰值水深和主要淹沒區(qū)域

3.4 云峰水電站潰壩風險評估結果分析與安全防護

通過上述分析可知，云峰大壩和發(fā)電廠是云峰水電站安全防護的重點，但目前對物資運輸通道的安全防護管理還很薄弱。通過評估，云峰水電站周邊巖體抗損壞性以中等為主，上覆土厚度較薄，適合地表工事構筑，建議在水電站附近的制高點和山脊構筑安全防護設施，并采用機械構工方式。云峰水電站南側青石村附近土體承載力較高，地勢平坦，是良好的物資運輸通道，建議在青石村安排安全防護人員，以保證水電站的運行安全。云峰水電站南側鴨綠江，可徒涉通行；云峰水庫江寬水深，小型船舶可通航，每年1月中旬至4月上旬為封凍期，可沿冰面通行；石湖河口、秋皮河口河寬流緩，局部河岸平坦，是物資運輸?shù)牧己猛ǖ?。建議在以上地段附近構筑安全防護設施。

云峰水庫庫容巨大，一旦潰壩，將形成嚴重的洪澇災害，可淹沒鴨綠江沿岸大部分村鎮(zhèn)，對當?shù)鼐用裆拓敭a(chǎn)造成重大損失，同時會形成大面積水障，對物資的運輸和邊境地區(qū)的管理造成阻礙。因此，可考慮通過對云峰水電站的泄流量進行調(diào)控，來控制鴨綠江的水深和流速，以應對突發(fā)情況的發(fā)生。

4 結論與建議

(1) 通過對云峰水電站結構分析可知，云峰大壩和發(fā)電廠是安全防護的重點。由于云峰水電站周邊巖體抗損壞性中等，上覆土厚度較薄，適合地表工事構筑，故可在水電站附近的制高點和山脊規(guī)劃安全防護設施，并采用機械構工方式。青石村、云峰水庫庫區(qū)、石湖村河口、秋皮村河口是物資運輸?shù)牧己猛ǖ?，可考慮安排安全防護人員，以保障水電站的運行安全。

(2) 通過數(shù)值模擬可知，云峰大壩僅有5 m潰壩時，就能形成嚴重的洪澇災害，淹沒鴨綠江沿岸大部分村鎮(zhèn)，使當?shù)鼐用裆拓敭a(chǎn)遭受重大的損失，同時會形成大面積水障，對物資的運輸和邊境地區(qū)的管理造成阻礙。建議：①如有突發(fā)情況，可提前降低庫容和庫水位，使水庫水位降低到警戒線以下；②可提前疏散可能淹沒范圍內(nèi)的居民，將其搬遷到淹沒范圍區(qū)以外的地區(qū)，涉及搬遷的村莊有青石村、望江村、蒿子溝村、黃柏村(青石鎮(zhèn))、長川村、上解放村、下解放村等；③對于重要的工業(yè)和生活設施，可在鴨綠江邊和重要的支流提前修筑堤防工程，以減少洪水的影響；④對云峰水庫大壩進行局部加固，增強大壩自身的強度，以提高大壩的抗損壞能力。